專利名稱：一種基于混合混沌序列發(fā)生器的statcom控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于柔性輸電系統(tǒng)(FACTS-Flexible Alternative Current
TransmissionSystem)靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM-Static Synchronous Compensator)
設(shè)備和電力電子技術(shù)領(lǐng)域。具體涉及一種混合混沌序列發(fā)生器的STATCOM控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著電網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大和傳輸功率不斷加大，低頻區(qū)域模式的阻尼在不斷減 小，使得電力系統(tǒng)的低頻振蕩現(xiàn)象更加嚴(yán)重。近年來，為了提高現(xiàn)有輸電系統(tǒng)的輸電能力， 除了增加輸電線路，柔性交流輸電系統(tǒng)裝置的廣泛應(yīng)用正在逐步取代傳統(tǒng)的電力裝置。STATCOM在電力系統(tǒng)中可以實(shí)現(xiàn)快速平滑地吸收感性和容性無功功率的目的，可 以更好的實(shí)現(xiàn)對無功功率的補(bǔ)償，減少電壓閃爍、實(shí)現(xiàn)電壓穩(wěn)定，阻尼次同步震蕩、減少電 壓和電流的不平衡，及其在配電網(wǎng)中用于改善電能質(zhì)量等等，在調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓、校正功率因 數(shù)、平衡負(fù)荷、濾除諧波等方面均具有很大的優(yōu)勢，并且它具有起動無沖擊、調(diào)節(jié)連續(xù)、響應(yīng) 快速、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為最有前途的無功補(bǔ)償裝置，在高壓大容量電力系統(tǒng)中 飛速發(fā)展，是柔性交流輸電系統(tǒng)的重要組成部件之一。STATCOM正以其眾多的優(yōu)越性成為研究熱點(diǎn)，但是STATCOM是否可以很好的達(dá)到 在電力系統(tǒng)中期望的維持節(jié)點(diǎn)電壓、阻尼系統(tǒng)振蕩、提高輸電系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定等 作用，關(guān)鍵在于其控制器的設(shè)計(jì)水平。本發(fā)明基于STATCOM的工作原理、組成方式進(jìn)行研 究，并提出了一種STATCOM控制器的設(shè)計(jì)框架，對其中的脈沖發(fā)生器使用CPLD進(jìn)行設(shè)計(jì)，并 實(shí)現(xiàn)對逆變單元的CSPWM調(diào)制。本發(fā)明基于一種混合混沌序列發(fā)生器的STATCOM控制系統(tǒng)。針對STATCOM對逆變 單元的要求，利用CPLD的高速、并行處理能力和混合混沌序列特性，設(shè)計(jì)了 STATCOM的一種 混合混沌序列發(fā)生器。該發(fā)生器通過1/0 口接受數(shù)字信號處理器(DSP)寫入的CSPWM(ChaoS SPWM)控制變量λ、δ，然后由CPLD定時產(chǎn)生CSPWM脈沖信號。CPLD在初始化后，可以獨(dú) 立于DSP進(jìn)行觸發(fā)脈沖信號的形成。利用MAX+PLUS II平臺，采用VHDL語言設(shè)計(jì)發(fā)生器的 數(shù)字邏輯，從而實(shí)現(xiàn)對STATCOM系統(tǒng)的CSPWM調(diào)制，實(shí)現(xiàn)對STATCOM的控制，達(dá)到更好的無 功補(bǔ)償作用。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種混合混沌序列發(fā)生器的STATCOM控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用 MAX+PLUS II平臺，結(jié)合VHDL硬件描述語言對CPLD芯片的控制，通過1/0 口接受數(shù)字信號 處理器(DSP)寫入的CSPWM控制變量δ、λ，然后由CPLD定時產(chǎn)生CSPWM脈沖信號，達(dá)到 對STATCOM的快速、準(zhǔn)確的控制，及時實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的無功補(bǔ)償。本發(fā)明提供的基于混合混沌序列發(fā)生器的STATCOM控制系統(tǒng)，包括DSP單元用于數(shù)據(jù)采集、反饋和算法的實(shí)現(xiàn)，采集、變換現(xiàn)場信號，實(shí)現(xiàn)手動調(diào) 節(jié)、自動無功調(diào)節(jié)及多目標(biāo)模糊控制功能，利用混合混沌序列實(shí)現(xiàn)SPWM調(diào)制，用來達(dá)到穩(wěn)
4定電壓、提高暫態(tài)穩(wěn)定極限、阻尼振蕩的目的，也用于STATC0M的調(diào)試和測試工作；控制脈沖的發(fā)生器單元由數(shù)據(jù)線及控制線與DSP單元連接，通過混沌序列控制 器產(chǎn)生脈沖信號去實(shí)現(xiàn)混合級聯(lián)逆變器開關(guān)的開斷，與DSP單元和功率驅(qū)動和保護(hù)相接功率驅(qū)動和保護(hù)單元保護(hù)STATC0M和功率驅(qū)動單元的的正常工作，與CPLD和脈 沖發(fā)生器相接混合級聯(lián)多電平逆變器單元實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)的補(bǔ)償作用，與脈沖信號發(fā)生器和電力 系統(tǒng)相接。(如圖1)實(shí)現(xiàn)混合混沌序列的發(fā)生器單元實(shí)現(xiàn)控制的DSP單元連接于控制平臺MAX+PLUS II，實(shí)現(xiàn)信號的雙向傳輸，并與 CPLD連接，實(shí)現(xiàn)控制信號和數(shù)據(jù)信號的傳輸；脈沖發(fā)生單元(CPLD)，連接于DSP單元和功率 驅(qū)動單元；功率驅(qū)動單元與CPLD單元和控制脈沖發(fā)生器產(chǎn)生CSPWM的信號發(fā)生器單元相 連；混合級聯(lián)多電平逆變器單元與控制脈沖發(fā)生器產(chǎn)生CSPWM的信號發(fā)生器單元連接，并 連接于電力系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)的無功補(bǔ)償功能。所述的脈沖發(fā)生單元包括同步脈沖發(fā)生器單元(見圖3)控制器的結(jié)構(gòu)關(guān)系，基于CAN總線的網(wǎng)絡(luò)型 DSP+CPLD控制結(jié)構(gòu)，通過CAN總線將STATC0M控制器的各個模塊物理連接起來。所述的功率驅(qū)動和保護(hù)單元電路(見圖4)包括光電隔離電路提供控制電路和主電路的電氣隔離作用功率放大電路，分別由光電耦合器和功率放大器組成；起放大信號的作用。功率驅(qū)動管電路將輸入脈沖信號經(jīng)光電隔離、三極管進(jìn)行放大，提供給功率開關(guān) 電路，當(dāng)功率驅(qū)動電路接收到的比較單元的輸入信號為1時，輸出觸發(fā)脈沖控制級聯(lián)H橋電 路的導(dǎo)通；反之使其關(guān)斷。所說的三相脈沖放大電路的一相包括放大“+Al”脈沖的驅(qū)動電 路，含光耦U9、二極管D1、電阻和三極管m ；放大“-Al”脈沖的驅(qū)動電路，含光耦U10、二極 管D2、電阻和三極管N2 ；放大“+A2”脈沖的驅(qū)動電路，含光耦U11、二極管D3、電阻和三極管 N3 ；放大“-A2”脈沖的驅(qū)動電路，含光耦U12、二極管D4、電阻和三極管N4 ；同理另外兩相共 12個脈沖驅(qū)動電路。二極管D1、D2、D3和D4的作用是防止脈沖反向輸入，保證電路正常工 作。所述的混合級聯(lián)多電平逆變器結(jié)構(gòu)(見圖5，6)，包括儲能裝置電容，起電壓支撐作用濾波裝置濾波器，主要濾除高頻和工頻的整數(shù)次諧波分量。單模塊的4個IGBT單元，N模塊共計(jì)4*N個IGBT單元(圖5)作為開關(guān)的功能， 對接收來的脈沖信號識別后，決定各組模塊的開斷。該電路工作原理為控制脈沖來自經(jīng)過功率驅(qū)動電路放大處理后CSPWM信號，電 路中的4*N個IGBT單元隨機(jī)的接收來自功率驅(qū)動電路的信號得以觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)級聯(lián)型多電平 逆變器關(guān)、開功能。所述的實(shí)現(xiàn)混合混沌序列的發(fā)生器單元(圖7，8)包括主要依據(jù)混合混沌序列(無限折疊混沌序列和Chebyshev混沌序列)的周期性和 快速實(shí)現(xiàn)均勻性，去調(diào)制STATC0M的SPWM實(shí)現(xiàn)對對逆變單元的調(diào)制。利用MAX+Plus II設(shè) 計(jì)平臺實(shí)現(xiàn)混合混沌序列的發(fā)生器設(shè)計(jì)。
VHDL硬件描述語言主要用于描述控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、行為和接口?？刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu) 用有限狀態(tài)機(jī)描述，接口是指PC機(jī)與CPLD芯片的連接。CPLD芯片，包含有宏塊，可編程的內(nèi)部連線資源和基本邏輯門，其輸出信號與功率 驅(qū)動電路連接，采用VHDL語言設(shè)計(jì)一個專用的SPWM脈沖發(fā)生器。CPLD芯片隨時接收控制 器發(fā)出的指令信號，然后根據(jù)指令自行產(chǎn)生出具有死區(qū)的三相六路SPWM脈沖信號。同時觸 發(fā)系統(tǒng)具有一定的保護(hù)功能，防止一旦逆變發(fā)生失敗時，燒毀外圍的設(shè)備。MAX+Plus II主要用于設(shè)計(jì)新器件和大規(guī)模CPLD/FPGA，使用簡單，設(shè)計(jì)速度非常 快。本發(fā)明工作原理本案所涉及的基于混合混沌序列發(fā)生器的STATC0M控制系統(tǒng)旨在針對STATC0M 對逆變單元的要求，利用CPLD的高速、并行處理能力和混合混沌序列特性，設(shè)計(jì)了 STATC0M 的一種混合混沌序列發(fā)生器。該發(fā)生器通過I/O 口接受數(shù)字信號處理器(DSP)寫入的 CSPWM (Chaos SPWM)控制變量λ、δ，然后由CPLD定時產(chǎn)生CSPWM脈沖信號。CPLD在初始 化后，可以獨(dú)立于DSP進(jìn)行觸發(fā)脈沖信號的形成。利用MAX+PLUS II平臺，采用VHDL語言 設(shè)計(jì)發(fā)生器的數(shù)字邏輯，從而實(shí)現(xiàn)對STATC0M系統(tǒng)的CSPWM調(diào)制，實(shí)現(xiàn)對STATC0M的控制， 達(dá)到更好的無功補(bǔ)償作用。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果(1)采用模塊化結(jié)構(gòu)使得各功能模塊的程序編制相對于對STATC0M控制器進(jìn)行整 體編程容易得多。(2)利用混合混沌序列實(shí)現(xiàn)對SPWM的調(diào)制。(3) STATC0M各功能模塊的 輸出數(shù)據(jù)易于監(jiān)測，有助于STATC0M控制器的故障檢測。(4)引入PC作為人機(jī)交互的接口， 使得對STATC0M的操作簡單化。(5)由于PC的引入，便于底層協(xié)議與TCP/IP協(xié)議的連接， 因此可以通過與INTERNET連接，實(shí)現(xiàn)對STATC0M的遠(yuǎn)程控制。(6)控制器擁有全數(shù)字化、具 有部分保護(hù)功能、高速并行處理、采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理及控制算法等特點(diǎn)。

圖1為本發(fā)明所涉一種混合混沌序列的STATC0M控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明所涉一種混合混沌序列的STATC0M控制系統(tǒng)的脈沖發(fā)生單元的結(jié)構(gòu) 示意圖。圖3為本發(fā)明所涉一種混合混沌序列的STATC0M控制系統(tǒng)的控制器的總體示意圖。圖4為本發(fā)明所涉一種混合混沌序列的STATC0M控制系統(tǒng)功率驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)示意 圖。圖5為本發(fā)明所涉一種混合混沌序列的STATC0M控制系統(tǒng)的混合型級聯(lián)多電平逆 變器的單相結(jié)構(gòu)圖。圖6為本發(fā)明所涉一種混合混沌序列的STATC0M控制系統(tǒng)的混合型級聯(lián)多電平逆 變器的CSPWM的三相調(diào)制結(jié)構(gòu)圖。圖7為本發(fā)明所涉一種混合混沌序列的STATC0M控制系統(tǒng)的混合混沌序列的產(chǎn)生 模塊示意8為本發(fā)明所涉一種混合混沌序列的STATC0M控制系統(tǒng)的混合混沌序列實(shí)現(xiàn)流
6程圖。
具體實(shí)施方式實(shí)施例1 一種基于混合混沌序列發(fā)生器的STATC0M控制系統(tǒng)(見圖1)本系統(tǒng)由以下單元 組成實(shí)現(xiàn)控制的DSP單元，脈沖發(fā)生單元，功率驅(qū)動單元，控制脈沖的發(fā)生器單元，功 率驅(qū)動單元，混合級聯(lián)多電平逆變器單元，及實(shí)現(xiàn)混合混沌序列發(fā)生器單元，連接于電力系 統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)的無功補(bǔ)償功能。數(shù)據(jù)采集、反饋和算法實(shí)現(xiàn)的DSP單元(圖2，3)采集、變換現(xiàn)場信號如系統(tǒng)電 壓、STATC0M裝置的輸出電流和直流側(cè)電壓等；實(shí)現(xiàn)手動調(diào)節(jié)、自動無功調(diào)節(jié)及多目標(biāo)模糊 控制等功能；用來達(dá)到穩(wěn)定電壓、提高暫態(tài)穩(wěn)定極限、阻尼振蕩的目的，也用于STATC0M的 調(diào)試和測試工作。本設(shè)計(jì)的主要特色是利用混合混沌序列實(shí)現(xiàn)SPWM調(diào)制。遠(yuǎn)程監(jiān)控與保護(hù)用來對控制脈沖的故障進(jìn)行監(jiān)控、診斷并實(shí)施保護(hù)動作(圖2)。同步脈沖發(fā)生器單元(見圖3)，根據(jù)DSP控制器發(fā)出的IGBT控制角，產(chǎn)生高精度 的IGBT觸發(fā)脈沖。實(shí)現(xiàn)混合混沌序列發(fā)生器單元(圖7，8)，主要依據(jù)混合混沌序列(無限折疊混沌 序列和Chebyshev混沌序列)的周期性和快速實(shí)現(xiàn)均勻性，去調(diào)制STATC0M的SP麗實(shí)現(xiàn)對 對逆變單元的調(diào)制。利用MAX+Plus II設(shè)計(jì)平臺實(shí)現(xiàn)混合混沌序列的發(fā)生器設(shè)計(jì)。功率驅(qū)動電路(見圖4)包括光電隔離電路和功率放大電路，分別由光電耦合器和 功率放大器組成；功率驅(qū)動管電路將輸入脈沖信號經(jīng)光電隔離、三極管進(jìn)行放大，提供給功 率開關(guān)電路，當(dāng)功率驅(qū)動電路接收到的比較單元的輸入信號為1時，輸出觸發(fā)脈沖控制級 聯(lián)H橋電路的導(dǎo)通；反之使其關(guān)斷。所說的三相脈沖放大電路的一相包括放大“+Al”脈沖 的驅(qū)動電路，含光耦U9、二極管D1、電阻和三極管m ；放大“-Al”脈沖的驅(qū)動電路，含光耦 U10、二極管D2、電阻和三極管N2 ；放大“+A2”脈沖的驅(qū)動電路，含光耦U11、二極管D3、電阻 和三極管N3 ；放大“-A2”脈沖的驅(qū)動電路，含光耦U12、二極管D4、電阻和三極管N4 ；同理另 外兩相共12個脈沖驅(qū)動電路。二極管D1、D2、D3和D4的作用是防止脈沖反向輸入，保證電 路正常工作?；旌霞壜?lián)多電平逆變器單元指由混合級聯(lián)多電平逆變器組成的逆變單元(見圖 5,6)包括儲能裝置、濾波裝置、耦合電容、單模塊的4個IGBT單元，N模塊共計(jì)4*N個IGBT 單元。該電路工作過程為控制脈沖來自經(jīng)過功率驅(qū)動電路放大處理后CSPWM信號，電路中 的4*N個IGBT單元隨機(jī)的接收來自功率驅(qū)動電路的信號得以觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)級聯(lián)型多電平逆變 器關(guān)、開功能。VHDL硬件描述語言主要用于描述控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、行為和接口?？刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu) 用有限狀態(tài)機(jī)描述，接口是指PC機(jī)與CPLD芯片的連接。CPLD芯片，包含有宏塊，可編程的內(nèi)部連線資源和基本邏輯門，其輸出信號與功率 驅(qū)動電路連接，采用VHDL語言設(shè)計(jì)一個專用的SPWM脈沖發(fā)生器。CPLD芯片隨時接收控制 器發(fā)出的指令信號，然后根據(jù)指令自行產(chǎn)生出具有死區(qū)的三相六路SPWM脈沖信號。同時觸 發(fā)系統(tǒng)具有一定的保護(hù)功能，防止一旦逆變發(fā)生失敗時，燒毀外圍的設(shè)備。
MAX+Plus II主要用于設(shè)計(jì)新器件和大規(guī)模CPLD/FPGA，使用簡單，設(shè)計(jì)速度非?？臁?br> 權(quán)利要求
1.一種基于混合混沌序列發(fā)生器的STATC0M控制系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括DSP單元用于數(shù)據(jù)采集、反饋和算法的實(shí)現(xiàn)，采集、變換現(xiàn)場信號，實(shí)現(xiàn)手動調(diào)節(jié)、自 動無功調(diào)節(jié)及多目標(biāo)模糊控制功能，利用混合混沌序列實(shí)現(xiàn)SPWM調(diào)制，用來達(dá)到穩(wěn)定電 壓、提高暫態(tài)穩(wěn)定極限、阻尼振蕩的目的，也用于STATC0M的調(diào)試和測試工作；控制脈沖的發(fā)生器單元由數(shù)據(jù)線及控制線與DSP單元連接，通過混沌序列控制器產(chǎn) 生脈沖信號去實(shí)現(xiàn)混合級聯(lián)逆變器開關(guān)的開斷，與DSP單元和功率驅(qū)動和保護(hù)單元相接；功率驅(qū)動和保護(hù)單元保護(hù)STATC0M和功率驅(qū)動單元的的正常工作，與CPLD和脈沖發(fā) 生器相接；混合級聯(lián)多電平逆變器單元實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)的補(bǔ)償作用，與脈沖信號發(fā)生器和電力系統(tǒng) 相接；實(shí)現(xiàn)混合混沌序列的發(fā)生器單元功率驅(qū)動單元與CPLD單元和控制脈沖發(fā)生器產(chǎn)生 CSPWM的信號發(fā)生器單元即實(shí)現(xiàn)混合混沌序列發(fā)生器單元相連；混合級聯(lián)多電平逆變器單 元與控制脈沖發(fā)生器產(chǎn)生CSPWM的信號發(fā)生器單元連接，并連接于電力系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對電力 系統(tǒng)的無功補(bǔ)償功能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其特征在于所述的控制脈沖的發(fā)生器單元包括 同步脈沖發(fā)生器發(fā)生器的結(jié)構(gòu)關(guān)系，基于CAN總線的網(wǎng)絡(luò)型DSP+CPLD控制結(jié)構(gòu)，通過CAN總線將STATC0M控制器的各個模塊物理連接起來。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其特征在于所述的功率驅(qū)動和保護(hù)單元電路包括光電隔離電路提供控制電路和主電路的電氣隔離作用； 功率放大電路分別由光電耦合器和功率放大器組成；起放大信號的作用； 功率驅(qū)動管電路將輸入脈沖信號經(jīng)光電隔離、三極管進(jìn)行放大，提供給功率開關(guān)電 路，當(dāng)功率驅(qū)動電路接收到的的輸入信號為1時，輸出觸發(fā)脈沖控制級聯(lián)H橋電路的導(dǎo)通; 反之使其關(guān)斷；所說的功率放大電路的一相包括放大“+Al”脈沖的驅(qū)動電路，含光耦U9、二極管D1、電 阻和三極管m ；放大“-Al”脈沖的驅(qū)動電路，含光耦U10、二極管D2、電阻和三極管N2 ；放大 “+A2”脈沖的驅(qū)動電路，含光耦U11、二極管D3、電阻和三極管N3 ；放大“-A2”脈沖的驅(qū)動電 路，含光耦U12、二極管D4、電阻和三極管N4 ；同理另外兩相共12個脈沖驅(qū)動電路；二極管 D1、D2、D3和D4的作用是防止脈沖反向輸入，保證電路正常工作。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其特征在于所述的混合級聯(lián)多電平逆變器結(jié)構(gòu)， 包括儲能裝置電容，起電壓支撐作用；濾波裝置濾波器，主要濾除高頻和工頻的整數(shù)次諧波分量；單模塊的4個IGBT單元，N模塊共計(jì)4*N個IGBT單元作為開關(guān)的功能，對接收來的脈 沖信號識別后，決定各組模塊的開斷；該電路的控制脈沖來自經(jīng)過功率驅(qū)動電路放大處理 后CSPWM信號，電路中的4*N個IGBT單元隨機(jī)的接收來自功率驅(qū)動電路的信號得以觸發(fā)， 實(shí)現(xiàn)級聯(lián)型多電平逆變器關(guān)、開功能。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其特征在于所述的實(shí)現(xiàn)混合混沌序列的發(fā)生器單 元包括主要依據(jù)混合混沌序列即無限折疊混沌序列和Chebyshev混沌序列的周期性和快速 實(shí)現(xiàn)均勻性，去調(diào)制STATC0M的SPWM實(shí)現(xiàn)對對逆變單元的調(diào)制；利用MAX+Plus II設(shè)計(jì)平 臺實(shí)現(xiàn)混合混沌序列的發(fā)生器設(shè)計(jì)。
全文摘要
一種基于混合混沌序列發(fā)生器的STATCOM控制系統(tǒng)。包括DSP單元、控制脈沖的發(fā)生器單元、功率驅(qū)動和保護(hù)單元、混合級聯(lián)多電平逆變器單元等。本發(fā)明針對STATCOM對逆變單元的要求，利用CPLD的高速、并行處理能力和混合混沌序列特性，設(shè)計(jì)了STATCOM的一種基于混合混沌序列發(fā)生器的STATCOM控制系統(tǒng)。利用MAX+PLUS II平臺，采用VHDL語言設(shè)計(jì)了混合混沌序列發(fā)生器的數(shù)字邏輯，從而實(shí)現(xiàn)對STATCOM系統(tǒng)的CSPWM調(diào)制，實(shí)現(xiàn)對STATCOM的控制，達(dá)到更好的無功補(bǔ)償作用。
文檔編號H02J3/18GK102004455SQ20101028949
公開日2011年4月6日 申請日期2010年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月25日
發(fā)明者劉一琦, 周雪松, 李滿, 陳浩, 馬幼捷 申請人:天津理工大學(xué)